ארון השמרים המחקרי

כבר יותר משני עשורים ממלאות "ספריות השאלה" תפקיד חשוב במדעי החיים. על מדפיהן לא תמצאו ספרים, כי אם גנים וחלבונים. הספריות המבוקשות ביותר בתחום הן אלה אשר מציעות סדרות של תאי שמרים. השמרים מבוקשים במעבדות ברחבי העולם לא בשל תפקידם המרכזי בתעשיית הלחם, היין והבירה, אלא בעיקר משום שתאיהם דומים מאוד לאלה שלנו, מה שהופך אותם למודלים מתאימים במיוחד לחקר הביולוגיה של התא האנושי. באחרונה פיתחו חוקרים ממכון ויצמן למדע מערכת חדשה ליצירת "ספריות" של תאי שמרים. בעזרת מערכת זו תוכל כל מעבדת מחקר ליצור "ספרייה" מותאמת לצרכיה עבור כל מחקר בחלבון כמעט.

ספריית שמרים עשויה להכיל אלפי "כרכים" של זני שמרים אשר הונדסו גנטית. כך למשל, ספרייה אחת עשויה להכיל מוטציות בכל אחד מ-6,000 חלבוני השמרים, בעוד ספרייה אחרת תכיל אוסף של זני שמרים עם חלבונים המסומנים בתגיות פלואורוסצנטיות. על אף שתאי שמרים מכילים הרבה פחות גנים מאשר 25,000 הגנים האנושיים, יצירת ספריות חדשות היא מאמץ מייגע ויקר, ולכן נוצרו עד כה ספריות מעטות בלבד.

ההבנה שלנו לגבי התא דומה כיום למצב שבו כל חלקיה של מכונית פרוסים על רצפת המוסך, אבל חסר לנו עדיין המידע לגבי אופן חיבור החלקים לכדי רכב שלם ונוסע"

פרופ' מאיה שולדינר מהמחלקה לגנטיקה מולקולרית וחברי הקבוצה שלה, ד"ר עידו יפה ואורי וייל, החליטו לשנות את המצב. יחד עם שותפיהם, ד"ר עמנואל לוי וד"ר אהוד סס מהמחלקה לביולוגיה מבנית, ופרופ' מיכאל קנופ וד"ר אנטון חמלניצקי מהמרכז לביולוגיה מולקולרית באוניברסיטת היידלברג (ZMBH) בגרמניה, הם יצרו "ספרייה-אֵם" אשר מאפשרת לייצר ספריות אחרות במהירות, ביעילות, ובעלות נמוכה. את הגישה, המבוססת על החלפה של התג המקורי בכל רצף גנטי אחר בגנום השֶמֶר באמצעות אנזים, מכנים חברי הצוות SWAT (קיצור ל- Swap Tag, או החלפת תגים). שיטה זו הופכת בנייה של ספרייה למעֵין משחק לגו: ערבוב והתאמה של ה"כרכים" השונים לצורך הרכבת ספריות אידיאליות למחקר. כדי להדגים את הגישה יצרו המדענים שבע ספריות חדשות עבור כל חלבוני השמרים, כמעט כמספר כלל הספריות שיוצרו ב-20 השנים האחרונות במעבדות ברחבי העולם.

פרופ' שולדינר וחברי קבוצת המחקר שלה מקווים שהספריות החדשות יוכלו, בין היתר, לסייע להבין את מיקומם של חלבונים שונים בתא. "ההבנה שלנו לגבי התא דומה כיום למצב שבו כל חלקיה של מכונית פרוסים על רצפת המוסך, אבל חסר לנו עדיין המידע לגבי אופן חיבור החלקים לכדי רכב שלם ונוסע", אומר וייל. "לשם כך עלינו ליצור את התרשים אשר יַראה לנו היכן נמצאת תיבת ההילוכים ביחס להגה ולגוף המכונית". חוסר זה במידע נובע, בחלקו, מכך שבספרייה הקיימת, בה מתויגים חלבוני השמרים בחלבון פלואורוסצנטי, אפשר לקבוע רק את מיקומם של כמחצית מהחלבונים. העברת תג הסימון הפלואורוסצנטי לחלק אחר של החלבון איפשרה לצוות המחקר ליצור ספרייה שבה ניתן לעקוב אחר כל חלבוני השמר. באמצעות שיטה זו הצליחו פרופ' שולדינר וצוותה לגלות את מיקומם של כ-2,000 חלבונים בתא. כך למשל, הם מצאו חלבונים חדשים הממוקמים באברוני המיטוכונדריה – "תחנות הכוח" של התא – והחלו לחקור איזה תפקיד ממלאים חלבונים אלה.

בהמשך יצרו המדענים ספריות נוספות, שונות ומגוונות. באחת מהן, למשל, מבוטאים כל חלבוני השמרים בעודף; בספרייה אחרת הוצמד תג פלואורוסצנטי שני לכל חלבון, שיטה  שימושית במיוחד בניסויים שבהם נבחנת פעילותם של כמה חלבונים במקביל. לבסוף, יצרו המדענים שתי ספריות משלימות, שבהן כל חלבון מתויג באמצעות חצי תג פלואורוסצנטי בלבד, כך שהוא יזהר רק כאשר ייקשר לחלבון הנושא את המחצית השנייה. מדענים המשתמשים בספריות אלה יכולים לבחון אינטראקציה בין חלבונים, וכן לאיזה מקום בתא מגיעים החלבונים כאשר הם נפגשים.

"הקדשנו יותר משלוש שנים לפיתוח הספריות", אומר וייל. "מלבד גילוי המיקום של החלבונים בתא, יצרנו כלי רב-תכליתי שיאפשר לכל חוקר להרכיב את האוספים שמעניינים אותו. במקום להשקיע שנים של מאמץ, הספריות שלנו יאפשרו לחוקרים להריץ ניסויים בתוך פחות מחודש". ואכן, מעבדות רבות ברחבי העולם כבר החלו להשתמש בספריות החדשות. "שבע הספריות שיצרנו הכפילו את מספר הספריות הזמינות למחקר ואת כמות המידע שהן מכילות", אומרת פרופ' שולדינר. "כעת ניתן לצפות לתגליות רבות חדשות, במעבדה שלנו ובמעבדות אחרות. זה קצת כמו לעבור מהספרייה השכונתית הקטנה אל הספרייה הראשית, תוך אפשרות לשאול במקביל את כל הספרים בכל האוספים".